基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法，在星箭連接環(huán)不同位置設(shè)置多組測點組，每組由三個(0°，45°，90°)的應(yīng)變花(或應(yīng)變測試光纖)分別測量三個測點的應(yīng)變，可以直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式計算，也可以由事先在地面試驗中標(biāo)定出的載荷-應(yīng)變關(guān)系利用結(jié)構(gòu)的線彈性特性預(yù)示星箭連接環(huán)受到的實際界面載荷。衛(wèi)星發(fā)射階段中每一步計算和每一個測量值都會由微處理器準(zhǔn)確、實時地處理和記錄。本發(fā)明避免了直接測力方案中因在星箭之間串聯(lián)力傳感器造成的對整體剛度和強(qiáng)度的削弱，同時采用應(yīng)變測量還減輕了測量裝置的重量。通過仿真試驗此方法的有效性也得到驗證。
【專利說明】基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算星箭六自由度界面力的方法，具體涉及一種直接利用材料力學(xué)相 關(guān)公式計算出、或者由事先在地面試驗中標(biāo)定出的載荷-應(yīng)變關(guān)系并根據(jù)結(jié)構(gòu)的線彈性特 性預(yù)示星箭連接環(huán)受到的實際界面載荷的方法，具體涉及基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭 六自由度界面力計算方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了保證航天器及其各分系統(tǒng)和部組件能夠經(jīng)受住發(fā)射段和動力飛行段的惡劣 動力學(xué)環(huán)境，必須對其進(jìn)行充分的動力學(xué)環(huán)境試驗。在傳統(tǒng)的加速度控制振動試驗中，試驗 夾具的機(jī)械阻抗與真實飛行構(gòu)型中安裝結(jié)構(gòu)存在很大的差異，僅采用加速度條件作為控制 條件可能導(dǎo)致嚴(yán)重的"過試驗"問題。
[0003] 20世紀(jì)90年代初，NASA的JPL實驗室最早將力限試驗技術(shù)應(yīng)用于航天器振動試 驗中。力限振動試驗在傳統(tǒng)振動試驗加速度控制的基礎(chǔ)上，通過限制試驗夾具與試驗件之 間的界面力，使振動試驗中界面處的響應(yīng)更接近真實的動力學(xué)環(huán)境，從而能夠很好地緩解 振動"過試驗"問題。國內(nèi)在力限控制技術(shù)研究和應(yīng)用方面尚處于研究探索階段，航天器設(shè) 計部門和試驗部門已認(rèn)識到發(fā)展力限控制技術(shù)的重要性和迫切性。
[0004] 力限振動試驗需要通過發(fā)射段實測獲得星箭界面力譜作為振動試驗的輸入，另外 振動試驗過程中也需要測量振動臺輸入到衛(wèi)星中的界面力并由伺服反饋調(diào)整振動臺的工 作電流。在運載火箭與衛(wèi)星之間串入壓電式力傳感器作為測力裝置雖然很直接，但其一般 為點式連接，會改變原有筒式連續(xù)結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度的削弱，引起結(jié)構(gòu)承載的巨大 風(fēng)險。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，為避免在試驗夾具與試驗件之間串聯(lián)力傳感器，本發(fā)明 提出了一種通過測量星箭連接環(huán)應(yīng)變，計算星箭六自由度界面力的方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方 法，包括步驟：
[0007] 在星箭連接環(huán)不同位置設(shè)置多組測點組，每組由三個（0°，45°，90° )的應(yīng)變花 或應(yīng)變測試光纖分別測量三個測點的應(yīng)變，直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式計算出或者由事先 在地面試驗中標(biāo)定出的載荷-應(yīng)變關(guān)系利用結(jié)構(gòu)的線彈性特性預(yù)示星箭連接環(huán)受到的實 際界面載荷。
[0008] 優(yōu)選地，通過測量星箭界面環(huán)不同位置的應(yīng)變間接地計算星箭界面力。
[0009] 優(yōu)選地，每個測點用應(yīng)變花或應(yīng)變測試光纖測量三個方向的應(yīng)變以得到該點的縱 向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和剪應(yīng)變。
[0010] 優(yōu)選地，直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式計算出或者在地面試驗中事先進(jìn)行應(yīng)變片的 標(biāo)定，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的線彈性特性對發(fā)射階段星箭連接環(huán)實時界面載荷進(jìn)行預(yù)示。 toon] 優(yōu)選地，所有應(yīng)變花或應(yīng)變測試光纖都接入微處理器進(jìn)行高速、實時的運算和數(shù) 據(jù)存儲。
[0012] 優(yōu)選地，包括如下步驟：
[0013] 對于直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式推算六自由度星箭界面力，具體如下：
[0014] 將星箭連接環(huán)考慮為圓薄壁環(huán)，采用梁彎曲時的平面截面假設(shè)，對星箭連接環(huán)進(jìn) 行受力分析；
[0015] 假定薄壁環(huán)受到的載荷為F = [Qx Qy Nz Mx My Τζ]τ，其中：QX和Qy分別為X方向、 y方向剪力，Nz為軸力，1^和乂分別為X方向、y方向彎矩，Tz為扭矩，則，薄壁環(huán)受到的正 應(yīng)力σ為
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法，其特征在于，包括 步驟： 在星箭連接環(huán)不同位置設(shè)置多組測點組，每組由三個（0°，45°，90° )的應(yīng)變花或應(yīng) 變測試光纖分別測量三個測點的應(yīng)變，直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式計算或者由事先在地面 試驗中標(biāo)定出的載荷-應(yīng)變關(guān)系根據(jù)結(jié)構(gòu)的線彈性特性預(yù)示星箭連接環(huán)受到的實際界面 載荷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法， 其特征在于，通過測量星箭連接環(huán)不同位置的應(yīng)變間接地計算星箭界面力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法， 其特征在于，每個測點用應(yīng)變花或應(yīng)變測試光纖測量三個方向的應(yīng)變以得到該點的縱向應(yīng) 變、環(huán)向應(yīng)變和剪應(yīng)變。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法， 其特征在于，直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式計算出或者在地面試驗中事先進(jìn)行應(yīng)變片的標(biāo) 定，并利用結(jié)構(gòu)的線彈性特性對發(fā)射階段星箭連接環(huán)實時界面載荷進(jìn)行預(yù)示。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法， 其特征在于，所有應(yīng)變花或應(yīng)變測試光纖都接入微處理器進(jìn)行高速、實時的運算和數(shù)據(jù)存 儲。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法， 其特征在于，包括如下步驟： 對于直接利用材料力學(xué)相關(guān)公式推算六自由度星箭界面力，具體過程如下： 將星箭連接環(huán)考慮為圓薄壁環(huán)，采用梁彎曲時的平面截面假設(shè)，對星箭連接環(huán)進(jìn)行受 力分析； 假定薄壁環(huán)受到的載荷為F = [Qx Qy Nz Mx My Τζ]τ，其中：QX和Qy分別為X方向、y方 向剪力，Nz為軸力，Mx和My分別為x方向、y方向彎矩，Tz為扭矩，則，薄壁環(huán)受到的正應(yīng)力 σ為
(1) 式中，?χ和iy分別為X方向、y方向的截面慣性矩，X，y為測點所處位置的橫、縱坐標(biāo) 值，A為截面面積，R為截面半徑，t為截面厚度，θ為測點在圓周上的角度位置； 薄壁環(huán)受到的剪應(yīng)力τ為
(2) 式中，前兩項\?Θ
cos#為橫向力引起的剪應(yīng)力，第三J]
為扭矩引起的 剪應(yīng)力；
因此，只需取薄壁環(huán)圓周上的一組測點位置（θπ θ2, θ3)，其中θ2, 03分別為測 點1、2、3在圓周上的角度位置，有： BF = 〇 (3) 式中，F(xiàn)為載荷，應(yīng)力σ =
，σ,、分別為測點 1、2、3的所處位置的正應(yīng)力，&、&、&分別為測點1、2、3的所處位置的剪應(yīng)力； 則矩陣Β為：
(4) 由式（3)可知，由薄壁環(huán)圓周三個位置（θ ρ Θ 2, Θ 3)的應(yīng)力能夠計算得到界面載荷F， 而應(yīng)力根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系由應(yīng)變得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于星箭連接環(huán)應(yīng)變測量的星箭六自由度界面力計算方法， 其特征在于，同時測量測點的縱向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變和剪應(yīng)變； 則有：
(5) 其中，εζ為測點縱向應(yīng)變，ε9(ι。為應(yīng)變花90°敏感柵應(yīng)變，ε e為測點環(huán)向應(yīng)變，％。 為應(yīng)變花0°敏感柵應(yīng)變，Υ0Ζ為測點剪應(yīng)變，ε45。為應(yīng)變花45°敏感柵應(yīng)變； 對于各向同性彈性材料，基于平面應(yīng)力假設(shè)，有：
(6) 其中，σ為測點正應(yīng)變，τ為測點剪應(yīng)變，Ε為彈性模量和ν為泊松比，λ和μ為拉 梅常數(shù)，可用彈性模量Ε和泊松比ν表示為：
(7) 取薄壁環(huán)圓周三個位置（θ ρ Θ 2, Θ 3)，則有： σ = ΚΑ ε (8) 式中，應(yīng)變￡=
下標(biāo)θρ θ2、θ3 表示應(yīng)變片在薄壁環(huán)圓周的位置，上標(biāo)0°、45°、90°表示每個應(yīng)變片中不同敏感柵的角 度； 則矩陣I為：
(9) 矩陣K2為：
(10) 由式⑶和（8)，得到： F = ε (11) 因此，在薄壁環(huán)圓周三個位置（θρ θ2, θ3)布置應(yīng)變片，能夠由式（11)計算得到載荷 F〇
【文檔編號】G01L1/22GK104296897SQ201410466455
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】張永濤, 王建煒, 杜冬, 周徐斌, 顧永坤 申請人:上海衛(wèi)星工程研究所